•   中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室,低维半导体材料与器件北京市重点实验室,中国科学院大学材料与光电研究中心

      摘要:本文提出一种基于AlGaInAs材料的1.55-μm波段的大功率、高速直调分布反馈(DFB)激光器阵列。采用具有良好温度特性和高微分增益的AlGaInAs材料作为量子阱和波导层以实现大功率与高带宽的输出;引入稀释波导结构来减小有源区内部损耗,同时降低远场发散角;采用悬浮光栅并优化耦合系数以实现大注入电流下的单模稳定工作。最终实现了1.5-μm波段5波长的大功率直调激光器阵列,阵列波长间隔约为5nm,室温连续波(CW)工作时各通道输出光功率均大于100mW,单通道最大输出光功率为160mW,500mA工作电流范围内边模抑制比大于55dB,小信号调制带宽可达7GHz,激光器最小线KHz,相对强度噪声低于-145dB/Hz。

      近年来,随着相干光通信、自由空间光通信、激光制导和激光雷达等技术的发展,具有传输损耗小、对人眼安全、受外界环境干扰小等优点的1.55-μm波段的单纵模大功率半导体激光器,受到国内外学者的广泛重视。目前该波段大功率分布反馈(DFB)激光器已经可以实现440mW的输出。在微波光子学、自由空间光通信等领域的应用中,除了对激光功率有要求外,还需要激光器有较高的调制带宽,以满足系统无放大器高速工作需求。目前,大功率直调激光器已经可以实现单纵模140mW输出,直调带宽达7GHz。为进一步提高通信带宽,可采用多波长阵列来进一步增加波长通道数。目前,大功率直调半导体激光器阵列的报道依然较少。

      针对此问题,本文提出一种1.5-μm波段的5波长大功率直调DFB激光器阵列结构。激光器采用具有高微分增益的AlGaInAs量子阱结构,用于提高激光器的高温工作特性,保证多波长激光器阵列在高功率工作时的稳定性。

      图1(a)为材料的外延结构,材料制备采用金属有机化合物气相外延(MOCVD)。在N-InP衬底上生长3对100-nm-1.15Q(带隙波长1.15μm)和500-nm-InP交替生长的稀释波导(WG);再依次生长130nm Al组分渐变的AlxGaInAs(x:0.423→0.338)缓变折射率分别限制层(GRINSCH)的下限值层,3个6nm光致发光波长为1530nm的AlGaInAs量子阱(MQW),130nm的GRINSCH上限制层;生长50nm InP光栅过渡层以及20nm InGaAsP光栅层。GRINSCH可有效减小载流子泄露,增大内量子效率,引入稀释波导层可降低远场发散角同时降低有源区的内部损耗,悬浮光栅结构可以更容易地调控光栅耦合系数。利用电子束曝光结合电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方法,根据光栅周期Λ与布拉格波长λ的对应关系2nΛ=λ,精确制作5个不同周期的一阶光栅,以实现多波长激射。而后二次外延生长30-nm-InP光栅盖层、20-nm-1.1Q InGaAsP刻蚀停止层,Zn掺杂浓度(分子浓度)为1018 cm-3量级的1.6-μm-InP盖层及掺杂浓度为3×1019的0.2-μm-InGaAs接触层,即完成了激光器材料的生长,如图1(b)所示。

    155-μm大功率高速直调半导体激光器阵列

      图1 1.55-μm DFB激光器。(a)材料外延结构示意图;(b)光栅截面扫描电镜图;(c)激光器阵列显微镜照片

      采用ICP干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方式制作了7μm-2.2μm-7μm双沟脊波导结构,以有效增加高阶模的模式损耗、抑制高阶模激射、增强侧模稳定性。为了避免大电流下的载流子注入引起的反波导现象,设计有源区各层厚度,使得脊形波导与侧边的有效折射率差为0.011。随后完成PECVD(plasmaenhanced chemical vapor deposition)生长二氧化硅、开电注入窗口、蒸镀上接触电极、减薄及背面电极制备工艺后,将芯片解理为1-mm腔长的器件,进行前后端面的镀膜,前端面反射率为0.1%,后端面反射率为95%。镀膜后,解理成阵列管芯,如图1(c)所示,图中金色部分为激光器的正面电极,横向亮色细条为激光器的脊波导,激光器阵列右侧出光,不同波长激光器间隔250μm,整个激光器阵列宽1.25mm。激光器阵列芯片正面电极朝上,将其烧结在氮化铝热沉上并进行测试。

      光栅结构以及耦合系数是DFB激光器设计的关键,耦合系数太大会导致空间烧孔,耦合系数太小会导致激光器多模激射。在该激光器阵列中采用了悬浮光栅结构,通过控制光栅厚度以及光栅与上限制层间InP过渡层厚度,来调控光栅的耦合系数。图2(a)是光栅耦合系数随光栅厚度以及光栅与上限层之间InP厚度变化的仿真结果。如图所示,光栅耦合系数K随着光栅厚度的增加而近线性增加,随着InP厚度增大近似呈指数形式衰减。为了满足大功率单模输出,选用光栅层厚度为20nm,光栅层与上限制层间InP厚度为50nm,对应的κ值为14cm-1,用于1-mm腔长的器件。

      采用稀释波导结构,可以降低材料的内部损耗。通过测量基于优化后的材料结构制作成的不同腔长F-P(Fabry-Perot)激光器的斜率效率,寻找外量子效率与腔长的对应关系,从而拟合得到对应材料的内部损耗αi和内量子效率ηi。图2(b)所示为材料优化后所制作的不同腔长F-P激光器微分量子效率ηd与腔长L的关系,由图可知激光器的ηi=70.25%,αi=4.63cm-1。

      图3所示为22℃下,CW注入电流条件下镀膜后1-mm 腔长的5-波长DFB激光器阵列的功率-电流-电压(P-I-V)性能测试结果。从图3(a)可以看出,激光器阵列中不同激射波长对应的激光器阈值大小稍有变化,阵列中的5个激光器功率在400mA偏置电流内无扭折出现,保持很好的线mW,斜率效率最高可达0.44W/A。图3(b)所示为通道1的P-I-V结果,偏置电流为700mA时,激光器输出功率可达160mW。

    155-μm大功率高速直调半导体激光器阵列

      图2 仿真测试结果。(a)上限制层和光栅层间InP厚度对光栅耦合系数κ的影响;(b)微分量子效率ηd的倒数与腔长的关系

    155-μm大功率高速直调半导体激光器阵列

      图3 22℃时,CW测试1-mm镀膜DFB激光器阵列的P-I-V曲线个不同通道(波长)的DFB激光器阵列的P-I曲线的P-I-V曲线

      、CW测试条件下腔长为1mm的激光器阵列的光谱。图4(a)所示为偏置电流为300mA时的激光器阵列光谱曲线nm。通过改变激光器的驱动电流,可以调谐激光器的输出波长。图4(b)所示为通道1单个激光器在不同工作电流下的光谱。当驱动电流从70mA增加到500mA时,激光器波长变化了4.2nm。5-波长的DFB激光器阵列在整个工作电流内均为单模激射,边模抑制比(SMSR)均大于55dB。且22℃时,在500mA的偏置电流范围内,激光器阵列可覆盖波长范围为22nm(1555.8~1577.8nm)。

      图4 22℃时,CW测试1-mm镀膜DFB激光器阵列光谱。(a)偏置电流为300mA的DFB激光器阵列光谱;(b)不同电流下DFB激光器通道1光谱

    155-μm大功率高速直调半导体激光器阵列

      图5所示为22℃时无匹配电阻情况下,通过高频探针直接加载调制信号,借助矢量网络分析仪(8510C,HP,美国)测试得到的不同偏置电流下激光器典型的小信号调制带宽,S21为小信号调制响应。由图可知:全偏置电流范围内小信号响应比较平坦,当偏置电流大于300mA时,3-dB带宽即可达7GHz。

    155-μm大功率高速直调半导体激光器阵列

      采用延时自外差法测量激光器线km的单模光纤进行延时,并用声光调制器将光拍频频率移动到70MHz处,所测得的典型光学线所示。利用洛伦兹(Lorentz)函数对测试曲线进行拟合(如图中实线所示)。激光器在偏置电流阈值以上50mA处得到的最小线所示为利用光信号分析仪(70004A+70908A,HP,美国)所测得的激光器典型相对强度噪声(RIN)曲线

      下,偏置电流为450mA时,在0.045-22GHz频率范围内激光器的相对强度噪声曲线dB/Hz。

      图6 单个DFB激光器的典型光学线 DFB激光器的典型相对强度噪声曲线

    155-μm大功率高速直调半导体激光器阵列

    155-μm大功率高速直调半导体激光器阵列

      ℃、CW测试条件下,镀膜后1-mm腔长的DFB激光器阵列内所有通道激光器出光功率均大于100mW,斜率效率高达0.44W/A;在500mA的偏置电流范围内SMSR均大于55dB,通道间隔约为5nm,覆盖的波长范围为1555.8~1577.8nm,3-dB调制带宽可达7GHz,最小线kHz,相对强度噪声低于-145dB/Hz。该DFB激光器很有可能用于自由空间光通信与模拟通信,并为硅基光子集成提供了理想的光源。

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    半导体激光器
    半导体激光器
    2019-11-25 13:15
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